汽車懸架K&C 特性參數(shù)相關(guān)性分析

楊萬安，施云翔，劉立剛

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

K&C 是懸架設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計全新車型時，首先要針對一些關(guān)鍵的K&C 參數(shù)進行目標(biāo)設(shè)定，并通過各種優(yōu)化手段計算出滿足目標(biāo)的設(shè)計方案[1-3]。目前，對K&C 數(shù)據(jù)的利用大多局限于參數(shù)之間的兩兩關(guān)系，利用線性回歸公式從一個參數(shù)的變化推測另一個參數(shù)相應(yīng)的趨勢，用于相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定[4-5]。應(yīng)用類似方法時幾乎沒有考慮到更多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，缺乏對各參數(shù)之間變化趨勢的全面認識，從而可能導(dǎo)致難以在早期設(shè)計階段獲得理想的方案。比如在車型開發(fā)初期做目標(biāo)設(shè)定時，常規(guī)的做法是對一些關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化范圍進行設(shè)定，如果對某個參數(shù)范圍進行了調(diào)整，而沒有同時調(diào)整與其相關(guān)的另一些參數(shù)范圍，很可能難以得到理想的優(yōu)化結(jié)果，或者得出的優(yōu)化方案并不是真正的最優(yōu)結(jié)果[6-7]。

本文將針對K&C 的實際測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計意義上的相關(guān)分析，從而揭示出更全面的關(guān)聯(lián)信息，以便在車型懸架設(shè)計的早期階段就有更為合理的懸架選擇和目標(biāo)設(shè)定。

本文涉及到的K&C 分析樣本數(shù)據(jù)極具代表意義，為多年來通過實際測量積累下來的總計近480輛車的樣本數(shù)據(jù)，包括：

時間跨度：從2003 年至2018 年，共計15 年。

樣車來源：涵蓋了在中國市場上大量銷售的主流產(chǎn)品，也包括了一部分在研發(fā)階段用于設(shè)計驗證的各種樣車。

品牌范圍：包含國內(nèi)外大部分知名品牌車型，涵蓋不同國家、車系、型號等。

車型分布：既有低端的入門車型，也有豪華品牌的高端車型。

懸架形式：前懸主要有麥弗遜懸架、雙橫臂獨立懸架，后懸包括了扭桿梁（Twist Beam）、三連桿（3-Link)、四連桿（4-Link)、扭桿梁加橫推桿（Twist＋Pan Link)、五連桿（5-Link)和H 臂（H-Arm）等。

基本尺度：整備質(zhì)量范圍796 ～2 408 kg，軸距范圍1 700 ～3 748 mm，輪距范圍1 250 ～1 780 mm。

1 主成分分析和因子分析

1.1 數(shù)據(jù)挖掘中的統(tǒng)計分析方法

K&C 特性參數(shù)測量是用來衡量懸架性能的客觀測試手段，開發(fā)過程中在不同階段均需進行相關(guān)車輛的狀態(tài)測量，以了解競爭對手和自身車型的懸架特點，長此以往就積累了大量的測試數(shù)據(jù)。由于K&C 特性參數(shù)測量有不同的工況，測得的參數(shù)也細分得比較多，大量的數(shù)據(jù)需要豐富的經(jīng)驗才能獲得更好的解讀，本文利用高級統(tǒng)計方法對這些數(shù)據(jù)進行進一步挖掘。

多變量的統(tǒng)計分析分兩大類。對于有自變量、因變量的數(shù)據(jù)，一般采用最小二乘法進行多元回歸分析，從而得到最佳擬合的相關(guān)關(guān)系。對于那些不存在因果關(guān)系的變量數(shù)據(jù)，則可采用主成分分析、因子分析、聚類分析等方法，從對原始數(shù)據(jù)總方差、協(xié)方差的解釋出發(fā)，通過降維處理，來揭示出眾多參數(shù)之間更加簡潔的關(guān)系。

此外，還有多重回歸分析、多元判別分析、對應(yīng)分析、多維尺度分析、多元方差分析等手段，均可對大量數(shù)據(jù)進行分類、預(yù)測、細分、關(guān)聯(lián)和排序，從中得到有益的深度信息。

1.2 主成分分析與因子分析的異同

首先，這兩種方法都可以用來進行降維處理，有效縮減被觀察變量參數(shù)的個數(shù)，從而更加清晰地發(fā)現(xiàn)眾多數(shù)據(jù)背后的關(guān)聯(lián)性。

主成分分析是通過坐標(biāo)變換，用各變量的線性組合生成新的綜合變量，以對原始信息的最大代表（即對各變量總方差的解釋程度），將較多的變量轉(zhuǎn)化為較少的幾項綜合新變量。

假設(shè)樣本矩陣為X，去中心化后表示為Z，通過特征值分解ZTZ=QΛQT找到特征向量，將其表示在以特征向量（β）為基底的新空間內(nèi)，即

因子分析則是研究如何以最小的信息損失（即對各變量間協(xié)方差的解釋程度），將眾多變量解釋為少數(shù)幾個公共因子變量的線性組合加上各變量的獨特因子。

假設(shè)原始數(shù)據(jù)是由公共因子與獨自的誤差因子構(gòu)成，即X=AF+ε，F(xiàn)表示公共因子，ε是特殊因子。同樣對協(xié)方差的特征值進行分解，通過對β 的取舍來抽取出公共因子，達到降維的目的。

圖1 直觀地展示了這兩種方法中變量的綜合與分解，以及由此帶來的變量縮減效果。

圖1 主成分分析和因子分析中的變量縮減

無論采用哪種方法，或者兩種方法可否有效采用，前提是被分析數(shù)據(jù)的變量間存在潛在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一種極端情況是所有變量都來源于一個維度的因子，因此可以簡化為一維的新變量；另一種極端則是所有變量全部都是正交不相關(guān)的，根本就不存在共同的因子，也就不適合采用因子分析了。

2 K&C 實測數(shù)據(jù)分析

2.1 公因子解釋率

本文對多年積累的K&C測試數(shù)據(jù)進行了分析，Bartlett 球形度檢驗結(jié)果表明，這些測試數(shù)據(jù)具有理想的分布狀態(tài)，非常適合本文提到的主成分分析和因子分析。

以后懸為例，如圖2 所示，對于公因子的方差解釋率來說，除扭桿梁有3 個參數(shù)略偏低（低于0.65）以外，三連桿、四連桿大多數(shù)參數(shù)的解釋率都在0.9以上，五連桿和H 臂更是全部在0.9 以上，充分說明了因子分析的有效性。

扭桿梁加橫推桿形式因測試車型單一，其公因子解釋率不具有代表性，有待今后測試車型豐富后再做進一步分析。

圖2 后懸的方差解釋率

2.2 懸架的易設(shè)計性

對數(shù)據(jù)庫中的扭桿梁、三連桿、四連桿、五連桿、扭桿梁加橫推桿和H 臂這6 種主要懸架形式的測試數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。經(jīng)過因子分析和主成分分析，其因子數(shù)量得到明顯簡化，但每種懸架形式的簡化程度有所不同。因子越少，說明在背后影響后懸K&C 特性的根本因素越少，所以針對少量因子進行設(shè)計控制，就可把控后懸的總體性能。

圖3 為各種后懸形式下控制因子數(shù)及方差解釋率。對比發(fā)現(xiàn)，無論從控制因子的特征根＞1 或方差解釋率＞85%來判斷，四連桿僅略微優(yōu)于扭桿梁，三連桿由于其簡單的結(jié)構(gòu)形式，其控制因子明顯少于四連桿和扭桿梁，與扭桿梁帶橫推桿和五連桿差不多，而H 臂后懸形式則明顯優(yōu)于其它所有后懸形式，僅由6 個因子控制了所有K&C 特性。

圖3 懸架的易設(shè)計性

因此，在進行K&C 特性參數(shù)的目標(biāo)設(shè)定時，應(yīng)該根據(jù)懸架形式選擇不同的參數(shù)及其數(shù)量。例如設(shè)計扭桿梁，由于其控制因子比較多，就應(yīng)該選擇較多的K&C 特性參數(shù)來設(shè)定其優(yōu)化范圍。若進行H 臂的設(shè)計，則應(yīng)該挑選較少的具有代表性的關(guān)鍵參數(shù)作目標(biāo)設(shè)定；如果對其較多參數(shù)進行了范圍設(shè)定，很可能由于沒有把握好關(guān)聯(lián)性較強參數(shù)之間的優(yōu)化范圍，從而使優(yōu)化過程變得比較困難，甚至找不到滿足所有參數(shù)的優(yōu)化方案。

3 分析對比及解讀

本文采用相同的分析方法分別針對前懸、后懸進行分析，限于篇幅，僅對部分特性參數(shù)的相關(guān)指標(biāo)作對比分析，從而發(fā)現(xiàn)一些有意義的規(guī)律，可供車輛懸架設(shè)計參考。

3.1 前懸

本文涉及到的測試數(shù)據(jù)中，絕大多數(shù)車輛的懸架形式為麥弗遜懸架和雙橫臂獨立懸架兩種。針對前懸的眾多K&C 參數(shù)，挑選了74 個主要參數(shù)作為分析對象，采用前述分析方法進行對比分析。由于篇幅所限，只根據(jù)因子分析結(jié)果針對一些主要的參數(shù)進行解讀，見表1。

總體而言，對于跳動試驗（Ride）和側(cè)傾試驗（Roll）工況，兩種懸架兩兩對應(yīng)的參數(shù)都具有極強的相關(guān)性，反映出兩種懸架形式背后的共同特征。

表1 前懸參數(shù)的相關(guān)因子

側(cè)向柔順性試驗中，同向力加載和反向力加載工況下，僅帶輪胎接地點柔順性（at gnd w/tire）具有相關(guān)性，主要因為輪胎的變形量遠大于懸架，成為主要控制因素。而反映懸架本身特性的不帶輪胎柔順性（w/o tire）和輪心柔順性（at wheel center）則沒有明顯規(guī)律，說明其變形量受不同因子控制。

縱向柔順性試驗中，無論是同向力加載、反向力加載或單側(cè)力加載，激發(fā)出的3 個參數(shù)展現(xiàn)出非常明顯的相關(guān)性，其力學(xué)特性是對稱的、線性的，用其中一種加載方式基本上就可反映出懸架的縱向柔順性特征。

值得關(guān)注的是，關(guān)于幾何結(jié)構(gòu)（Geometry）、懸架行程（Ride Travel）和一些指標(biāo)（Metrics）的參數(shù)，兩種懸架形式均未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性特征，表明這類參數(shù)受到多個因子的多重影響，確定目標(biāo)范圍時需要考慮到比其它K&C 特性參數(shù)更多的因素。

分析發(fā)現(xiàn)，無論是麥弗遜懸架或雙橫臂獨立懸架，其側(cè)傾中心高度（Roll Center HT）、載荷傳遞比（Load X-fer）、前視擺臂角變化（FVSA Deflection）、懸架側(cè)傾橫向變形（Susp Roll Lat Defl）和輪跡距離變化系數(shù)（Rate of Tread Change）這5 個參數(shù)都具有極強的相關(guān)性，這些指標(biāo)應(yīng)被特別關(guān)注并進行協(xié)同目標(biāo)設(shè)定。

3.2 后懸

本文涉及到的測試數(shù)據(jù)中，車輛的懸架形式比較多樣化，有扭桿梁、三連桿、四連桿、五連桿、扭桿梁加橫推桿和H 臂這6 種。針對后懸的眾多K&C 參數(shù)，挑選了62 個主要參數(shù)作為分析對象，同樣采用了前述方法進行對比分析，見表2。

表2 后懸參數(shù)的相關(guān)因子

將6 種后懸（扭桿梁、三連桿、四連桿、五連桿、扭桿梁加橫推桿、H 臂）的相關(guān)性結(jié)果進行對比，也能得到一些有趣的發(fā)現(xiàn)。

與前懸類似，對于垂直試驗和側(cè)傾試驗中的相關(guān)參數(shù)，幾乎所有懸架都具有兩兩對應(yīng)的強相關(guān)性。而且，扭桿梁、三/四/五連桿后懸的跳動（Ride）參數(shù)有一個共同的主控因子，應(yīng)該是懸架的彈簧剛度；幾種獨立懸架的相應(yīng)前束和轉(zhuǎn)向（Toe/Steer）均受共同因子控制；對于外傾參數(shù)（Camber）而言，只有三/五連桿和H 臂后懸形式存在同一個控制因子。

側(cè)向柔順性試驗的同向力加載和反向力加載工況下得到的參數(shù)中，僅有部分懸架的部分參數(shù)具有強相關(guān)性，沒有明顯規(guī)律。說明每種懸架的橫向柔順性各有各的特點，而且不具對稱性。

與前懸類似，在縱向柔順性試驗中，無論是同向力加載、反向力加載或單側(cè)力加載，每種工況下激發(fā)出的力學(xué)特性是對稱的、線性的，彼此之間有相當(dāng)強的相關(guān)性，用其中一種加載方式基本上就可反映出懸架的縱向柔順性特點。

在懸架跳動（Ride Travel）試驗中，輪跳載荷/行程（Jounce Load/ Travel）的2.0g值與最大值之間均有強相關(guān)性，但其反跳（Rebound）參數(shù)則完全沒有共同特點。

值得注意的是，對于輪胎剛度（Tire Rate）和幾個指標(biāo)參數(shù)（Metrics），在所有的懸架形式中均看不到有規(guī)律的控制因子，說明這些參數(shù)受到的影響因素比較復(fù)雜，因車而異，在全新車型的懸架設(shè)計中需要逐一關(guān)注。

4 結(jié)論

本文針對多年積累的K&C 測量數(shù)據(jù)，用高級統(tǒng)計分析中的主成分分析和因子分析方法進行了全新解讀和對比，揭示了常規(guī)分析思路未能發(fā)現(xiàn)的一些重要規(guī)律，對全新懸架設(shè)計過程中K&C 特性參數(shù)的核心選擇、目標(biāo)范圍的合理設(shè)定和方案優(yōu)化時的權(quán)重取舍，具有非常重要的借鑒意義。研究中觀察到的一些重要結(jié)論如下：

（1）應(yīng)該根據(jù)懸架形式選擇不同的參數(shù)進行目標(biāo)設(shè)定，以便得到更加合理的優(yōu)化方案。

（2）在前懸、后懸目標(biāo)設(shè)定時，應(yīng)根據(jù)參數(shù)之間的相關(guān)程度進行合適的范圍調(diào)整，避免由此帶來的潛在優(yōu)化沖突。

（3）部分特性參數(shù)具有相當(dāng)獨立的表現(xiàn)，應(yīng)予以特別關(guān)注。